JP2010009989A - 二次電池の充放電方法とバッテリ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高出力な状態を長期間にわたって保持して二次電池を長寿命にする。
【解決手段】二次電池の充放電方法は、対向平面を有する外形の二次電池１を、充放電状態においては対向平面を加圧し、充放電しない状態においては充放電状態よりも加圧力を弱くする。
【効果】充放電しない状態で加圧されない電池は、加圧状態に保持される電池に比較して、同じ充放電電流において電圧が高く、高い出力にできる。また、加圧しないで放置された電池は内部抵抗が小さく、このことからも出力を大きくできる。
【選択図】図３

Description

本発明は、二次電池を充放電する方法に関し、とくに充放電状態と非充放電状態とで加圧する圧力を変化させる二次電池の充放電方法とバッテリ装置に関する。

複数の二次電池を積層して両端面を一対の押圧プレートで挟着するバッテリ装置は開発されている。（特許文献１参照）
この公報に記載されるバッテリ装置は、図１に示すように、角形電池９１を積層して電池ブロック９２とし、この電池ブロック９２の両端面を押圧プレート９３で挟着している。押圧プレート９３の外側には、タイロッド９５で連結されるエンドプレート９４を配置している。このエンドプレート９４の内側に、押しバネ９６を介して押圧プレート９３を配設している。押圧プレート９３は、押しバネ９６に押されて、二次電池９１を積層してなる電池ブロック９２を両端面から挟着している。
特開２００３−３６８３０号公報

図１のバッテリ装置は、押しバネで押圧される押圧プレートにより、電池ブロックが常に所定の圧力で押圧される。このバッテリ装置は、二次電池の膨張を防止できる。しかしながら、このバッテリ装置は、二次電池を常に加圧状態とするので、電池内部での液分担等の変化により充放電サイクルを繰り返すことにより出力が低下する弊害が発生する。このことは、電池の劣化を促進して寿命を短くする弊害がある。

本発明は、さらにこの欠点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、高出力な状態を長期間にわたって保持して長寿命にできる二次電池の充放電方法とバッテリ装置を提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

本発明の請求項１の二次電池の充放電方法は、対向平面を有する外形の二次電池１、２１を、充放電状態においては対向平面を加圧し、充放電しない状態においては充放電状態よりも加圧力を弱くする。この充放電方法によると、高出力な状態を長期間にわたって保持して長寿命にできる特徴が実現される。電池を、充放電しない状態で加圧して放置する電池と、加圧しないで放置する電池における電流−電圧特性は、図２に示すように変化する。この図において、曲線Ａは、加圧しないで放置される電池の電流−電圧特性を示し、曲線Ｂは、加圧状態で放置された電池の電流−電圧特性を示している。この図に示すように、充放電しない状態で加圧されない電池は、加圧状態に保持される電池に比較して、同じ充放電電流において電圧が高く、高い出力にできる。また、電流と電圧の傾斜が電池の内部抵抗を示すことになるので、加圧しないで放置された電池は内部抵抗が小さく、このことからも出力を大きくできる。

本発明の二次電池の充放電方法は、充放電状態において、複数の二次電池１、２１を互いに積層して、両端に位置する対向平面から複数の積層した二次電池１、２１を加圧することができる。

本発明の二次電池の充放電方法は、二次電池１、２１を、角形電池とポリマー電池のいずれかとすることができる。さらに、本発明の二次電池の充放電方法は、二次電池１、２１を、リチウムイオン電池とリチウムポリマー電池のいずれかとすることができる。

本発明の請求項５のバッテリ装置は、対向平面を有す外形の二次電池１、２１が積層されてなる電池ブロック２、２２と、この電池ブロック２、２２の両端面を押圧する一対の押圧プレート３、２３と、この押圧プレート３、２３を電池ブロック２、２２の端面に押圧する押圧体６、２６と、二次電池１、２１の充放電状態と充放電しない状態とを検出して、二次電池１、２１の充放電状態においては押圧体６、２６で押圧プレート３、２３を電池ブロック２、２２の端面に押圧し、充放電しない状態においては、電池ブロック２、２２の端面の押圧力を充放電状態の押圧力よりも低減する制御機構７、２７とを備える。

このバッテリ装置は、二次電池の充放電状態においては、押圧体で押圧プレートを電池ブロックの端面に押圧して二次電池を加圧し、充放電しない状態においては、電池ブロックの端面の押圧力を充放電状態の押圧力よりも低減して二次電池の加圧力を弱くするので、高出力な状態を長期間にわたって保持して長寿命にできる。

本発明のバッテリ装置は、二次電池１、２１を角形電池２１Ａとポリマー電池のいずれかとすることができる。さらに、本発明のバッテリ装置は、二次電池１、２１を、リチウムイオン電池とリチウムポリマー電池のいずれかとすることができる。さらにまた、本発明のバッテリ装置は、押圧体６、２６を押しバネ６Ａ、２６Ａとすることができる。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための二次電池の充放電方法とバッテリ装置を例示するものであって、本発明は充放電方法とバッテリ装置を以下のものに特定しない。

さらに、この明細書は、特許請求の範囲を理解しやすいように、実施例に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲」および「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。

本発明の二次電池の充放電方法とバッテリ装置は、車両を走行させるモータに電力を供給する車両用の電源に適している。それは、車両用のバッテリが、大電流で充放電されることに加えて、多量の二次電池を装備する高価なシステムであることから長い寿命特性が要求されるからである。

本発明は、電池内部での液分担等の変化により、充放電サイクルを繰り返すことによって出力が低下する弊害を防止するものであるから、対向平面を有する外形の二次電池、たとえば角形電池やポリマー電池等の円筒状の電池ではない二次電池に適している。角形電池やポリマー電池である対向平面を有する二次電池は、対向平面を押圧する圧力を変化させることでプラス電極とマイナス電極の相対間隔を変更できる。二次電池は、充放電されることで電極がドライ状態となって内部抵抗が大きくなる。その後、加圧状態に放置すると、ドライ状態の回復に時間がかかる。ところが、充放電しない状態で加圧力を低くすると、プラス電極とマイナス電極の相対間隔をわずかに広くなってドライ状態の回復が早くなり、大きくなった内部抵抗の回復が速やかになる。

二次電池は、充放電状態においては、加圧することで電気特性を向上できる。それは、プラス電極とマイナス電極の相対間隔が狭くなって内部抵抗が小さくなるからである。また、加圧することで複数の二次電池を定位置に固定できることにも効果がある。したがって、本発明は、充放電状態では、二次電池の対向平面を加圧する。充放電しない状態では、加圧力を弱くして、内部抵抗の回復を速やかにする。

図３と図４に示すように、複数の二次電池１を互いに積層して、両端に位置する対向平面から複数の積層した二次電池１を加圧する構造は、充放電状態では、全ての二次電池１を一緒に加圧でき、また、充放電しない状態では、全ての二次電池１の加圧力を弱くできる。したがって、本発明は、複数の二次電池１を積層して電池ブロック２とする構造に適している。

図３は二次電池１を充放電する状態を示し、図４は二次電池１を充放電しない状態を示している。図３は弾性体である押しバネ６Ａで押圧プレート３を弾性的に押圧して、二次電池１の対向平面を加圧している。なお、これらの図において、複数の二次電池１を押圧プレート３で加圧する状態をわかりやすくするために、互いに積層される複数の二次電池１を離して図示すると共に、これらの間隔を変化させて加圧力の強弱を表示している。実際のバッテリ装置においては、複数の二次電池１は互いに接近して積層された状態に連結している。

このバッテリ装置は、複数の二次電池１を積層して電池ブロック２とし、その両端面に一対のエンドプレート４を配設している。エンドプレート４はタイロッド５で連結して固定している。一方のエンドプレート４の内側に押圧プレート３を配設している。この押圧プレート３は、押圧体６で電池ブロック２の端面に押圧される。さらに、図３と図４のバッテリ装置は、二次電池１を充放電する状態と充放電しない状態とを検出して、二次電池１の充放電状態においては、押圧体６で押圧プレート３を電池ブロック２の端面に押圧し、充放電しない状態においては、電池ブロック２の端面の押圧力を充放電状態の押圧力よりも低減する制御機構７を備える。

図のバッテリ装置は、押圧体６を押しバネ６Ａからなる弾性体で実現する。押しバネ６Ａの弾性体からなる押圧体６は、押圧プレート３とエンドプレート４との間に配設される。制御機構７は、押圧プレート３をエンドプレート４に連結するロックアーム１０と、このロックアーム１０を駆動する第１のアクチュエータ１１と、押圧プレート３とエンドプレート４の間隔を調整する第２のアクチュエータ１２と、二次電池１の充放電状態と充放電しない状態とを検出して第１のアクチュエータ１１及び第２のアクチュエータ１２を制御する検出回路１３とを備える。

ロックアーム１０は、図３に示すように、二次電池１が充放電される状態ではロック状態を解放して、押しバネ６Ａの弾性体で押圧プレート３を電池ブロック２に押圧する。二次電池１が充放電されない状態では、図４に示すように、押しバネ６Ａの弾性体を圧縮状態として、ロックアーム１０を押圧プレート３に係止して、押しバネ６Ａが押圧プレート３で電池ブロック２を押圧しない状態とする。ロックアーム１０は、第１のアクチュエータ１１に傾動されて、押圧プレート３に係止できる係止部１０Ａを先端に設けている。ロックアーム１０は、第１のアクチュエータ１１でロック状態とロック状態を解除する状態とに移動される。第１のアクチュエータ１１は、ロックアーム１０の回転軸１４に連結されて、回転軸１４を回転することでロックアーム１０を傾動させるサーボモータやシリンダである。

第２のアクチュエータ１２は、押圧プレート３とエンドプレート４に連結されて、二次電池１を充放電しない状態で、押圧プレート３をエンドプレート４に接近するように移動して、ロックアーム１０でロック状態とする。第２のアクチュエータ１２は、伸縮するシリンダである。ただ、第２のアクチュエータには、シリンダに変わって押圧プレートをエンドプレートに向かって接近できる全ての機構とすることができる。

第２のアクチュエータ１２で押圧プレート３をエンドプレート４に接近させるバッテリ装置は、押圧プレート３の移動距離を大きくして、電池ブロック２の押圧状態を理想的な状態でコントロールできる。ただし、第２のアクチュエータは、必ずしも必要としない。それは、ロックアームを傾動して、ロックアームでもって押圧プレートをエンドプレートに接近させてロック状態にできるからである。このロックアームは、傾動して押圧プレートをエンドプレートに接近できる傾斜部とロック部とを有し、傾斜部を摺動させて、押圧プレートをエンドプレートに接近させて、ロック部でロック状態とする。

検出回路１３は、二次電池１の充放電状態と充放電しない状態とを検出して、第１のアクチュエータ１１と第２のアクチュエータ１２で電池ブロック２の押圧状態をコントロールする。車両用に電源として搭載されるバッテリ装置は、車両のメインスイッチであるイグニッションスイッチがオンに切り換えられて充放電される状態では、電池ブロック２を加圧状態とし、イグニッションスイッチがオフに切り換えられて、充放電されない状態では電池ブロック２の加圧力を弱く、あるいは加圧しない状態とする。このバッテリ装置は、イグニッションスイッチのオンオフを検出して、二次電池１が充放電される状態か、あるいは充放電されない状態かを判定する。

この検出回路１３は、車両のイグニッションスイッチがオンに切り換えられて充放電される状態を検出すると、図３に示すように、第１のアクチュエータ１１でロックアーム１０を傾動して、ロックアーム１０の先端の係止部１０Ａと押圧プレート３との係止状態を解除して、ロック状態を解除する。この状態で、押圧プレート３は押しバネ６Ａの弾性体に押されて、電池ブロック２を加圧する。車両のイグニッションスイッチがオフに切り換えられて、二次電池１が充放電されない状態を検出回路１３が検出すると、第２のアクチュエータ１２を駆動して押圧プレート３をエンドプレート４に接近させた後、第１のアクチュエータ１１を駆動して、ロックアーム１０を押圧プレート３に係止して、ロック状態とする。ロック状態は、ロックアーム１０が押しバネ６Ａの弾性体を圧縮する状態として押圧プレート３をエンドプレート４に連結するので、押圧プレート３は電池ブロック２の押圧力を弱くし、あるいは押圧しない状態とする。ロックアーム１０が押圧プレート３に係止されるロック状態において、第１のアクチュエータ１１と第２のアクチュエータ１２は駆動されず、押しバネ６Ａを圧縮状態に保持するために電力を消費しない。

図５ないし図８は、図３と図４の原理で、電池ブロック２２の加圧力をコントロールするバッテリ装置を示す斜視図である。ただし、このバッテリ装置は、図３と図４に示すバッテリ装置とは異なり、ロックアーム３０をエンドプレート２４でなくて押圧プレート２３に連結している。このバッテリ装置は、複数の角形電池２１Ａである二次電池２１をセパレータ２８を介して接続している電池ブロック２２と、この電池ブロック２２の両端面に配設しているエンドプレート２４と、エンドプレート２４の内側にあって電池ブロック２２を押圧する押圧プレート２３と、押圧プレート２３とエンドプレート２４との間に配設している押しバネ２６Ａの弾性体からなる押圧体２６と、押圧プレート２３に連結しているロックアーム３０とを備える。

電池ブロック２２を構成する角形電池２１Ａは、隣接する出力端子２９を、互いに積層して連結している。互いに連結される出力端子２９は、弾性変形する金属板をＬ字状に折曲加工したものである。この出力端子２９は弾性変形して、弾性体が押圧する状態と、加圧しない状態とで隣接する角形電池２１Ａの相対位置をわずかに変更する。ただ、加圧状態と加圧しない状態とで隣接する角形電池２１Ａの相対位置の変更はわずかであるから、出力端子２９はわずかに変形して、隣接する角形電池２１Ａの相対位置を調整できる。ただ、電池ブロックを構成する角形電池は、隣接する出力端子を弾性変形する金属板からなるバスバーで接続することもできる。このバスバーは弾性変形して、弾性体が押圧する状態と、加圧しない状態とで隣接する角形電池の相対位置をわずかに変更して、隣接する角形電池の相対位置を調整できる。

一対のエンドプレート２４は、両端をネジ止めしているタイロッド２５で互いに連結されて、その内側に電池ブロック２２を配設している。エンドプレート２４は、補強して変形を防止するために、外側面に複数のリブ２４Ａを一体的に成形して設けている。

押圧プレート２３は、押圧体２６の弾性体と電池ブロック２２の端面との間に配設されて、弾性体に押されて電池ブロック２２の平面を均一に加圧する。押圧プレート２３は、角形電池２１Ａの端面を均一に加圧できるように、その外形を角形電池２１Ａの対向平面と同じ外形にしている。弾性体はコイルスプリングからなる押しバネ２６Ａで、押圧プレート２３とエンドプレート２４の中央部に圧縮状態で配設されて、弾性的に押圧プレート２３を押圧する。

さらに、このバッテリ装置は、図９と図１０に示すように、二次電池２１を充放電する状態と充放電しない状態とを検出して、二次電池２１の充放電状態においては、押圧体２６で押圧プレート２３を電池ブロック２２の端面に押圧し、充放電しない状態においては、電池ブロック２２の端面の押圧力を充放電状態の押圧力よりも低減する制御機構２７を備える。図９と図１０は、押圧プレート２３とエンドプレート２４にロックアーム３０を連結する構造を示している。図の制御機構２７は、押圧プレート２３をエンドプレート２４に連結するロックアーム３０と、このロックアーム３０を駆動する第１のアクチュエータ３１と、押圧プレート２３とエンドプレート２４の間隔を調整する第２のアクチュエータ３２と、二次電池２１の充放電状態と充放電しない状態とを検出して第１のアクチュエータ３１及び第２のアクチュエータ３２を制御する検出回路３３とを備える。

ロックアーム３０は、押圧プレート２３に傾動できるように連結される。図９と図１０に示すロックアーム３０は、押圧プレート２３の両側に傾動できるように連結している。ロックアーム３０は回転軸３４を介して押圧プレート２３に傾動できるように連結される。この回転軸３４が第１のアクチュエータ３１に回転されて、ロックアーム３０は傾動される。第１のアクチュエータ３１は、回転軸３４に連結されて回転軸３４を回転させるサーボモータやシリンダである。押圧プレート２３の両側にロックアーム３０を連結しているので、各々のロックアーム３０は第１のアクチュエータ３１で一緒に傾動される。ロックアーム３０は、その先端に、エンドプレート２４に係止される係止フック３０Ａを設けている。ロックアーム３０は、押圧プレート２３が電池ブロック２２を押圧する加圧力を弱く、あるいは加圧しない状態では、図９に示すように、先端の係止フック３０Ａをエンドプレート２４に連結して、押圧体２６の押しバネ２６Ａを圧縮状態に保持する。また、ロックアーム３０は、押圧プレート２３が電池ブロック２２を押圧する加圧状態では、図１０に示すように、先端の係止フック３０Ａをエンドプレート２４から外して、押圧体２６の押しバネ２６Ａが押圧プレート２３を押圧する状態とする。

さらに、押圧プレート２３とエンドプレート２４は、第２のアクチュエータ３２を連結して、ロックアーム３０が押しバネ２６Ａを圧縮状態とするときに、押圧プレート２３をエンドプレート２４に接近させる。第２のアクチュエータ３２はシリンダで、図９と図１０は、押圧プレート２３とエンドプレート２４の四隅部に連結している。第２のアクチュエータ３２は検出回路３３に制御されて、ロックアーム３０が押圧プレート２３をエンドプレート２４にロック状態とする状態で、押圧プレート２３をエンドプレート２４に接近させる。

図５ないし図１０のバッテリ装置は、図３と図４に示すバッテリ装置と同じように、以下の動作をして電池ブロック２２の押圧状態を最適な状態にコントロールする。このバッテリ装置は、車両に搭載されて車両を走行させるモータに電力を供給する電源に使用される。したがって、このバッテリ装置は、イグニッションスイッチのオンオフを検出回路３３で検出して、二次電池２１を充放電する状態と、二次電池２１を充放電しない状態とを判定する。
（１）イグニッションスイッチがオンに切り換えられると、検出回路３３は二次電池２１が充放電される状態と判定して、ロックアーム３０のロック状態を解除する。この状態は、第１のアクチュエータ３１がロックアーム３０を傾動して、ロックアーム３０の係止フック３０Ａをエンドプレート２４から外して、ロック状態を解除する。この状態で、押圧体２６の押しバネ２６Ａは押圧プレート２３を押圧して、電池ブロック２２の端面を加圧状態とする。二次電池２１は加圧状態で充放電される。
（２）イグニッションスイッチがオフに切り換えられると、検出回路３３は二次電池２１が充放電されない状態と判定して、ロックアーム３０をロック状態とする。ロックアーム３０をロック状態とするために、検出回路３３は第２のアクチュエータ３２を駆動して、押圧プレート２３をエンドプレート２４に接近して、押圧体２６の押しバネ２６Ａを圧縮する。この状態で、第１のアクチュエータ３１がロックアーム３０を傾動して、ロックアーム３０の係止フック３０Ａをエンドプレート２４に係止して、ロック状態とする。この状態で、押圧体２６の押しバネ２６Ａは押圧プレート２３を押圧しない状態となり、電池ブロック２２の端面は充放電の状態よりも加圧力が低減される。この状態は、押圧プレート２３が電池ブロック２２を加圧しない状態、あるいはわずかに加圧する状態とする。この状態に保持される二次電池２１は、プラス電極とマイナス電極との間隔がわずかに広くなって、電極のドライ状態が速やかに回復される。

以上のバッテリ装置は、車両のイグニッションスイッチがオフに切り換えられると、ロックアーム３０がロック状態となって、押しバネ２６Ａの弾性体を圧縮する状態に保持するので、この状態で電力を消費しない。すなわち、イグニッションスイッチをオフとする状態で、電力を消費することなく、この状態では電池ブロック２２の加圧力を弱くできる。

従来のバッテリ装置の断面図である。 電池の電流−電圧特性を示すグラフである。 本発明の一実施例にかかるバッテリ装置であって、二次電池を充放電する状態を示す概略構成図である。 図３に示すバッテリ装置であって、二次電池を充放電しない状態を示す概略構成図である。 本発明の他の実施例にかかるバッテリ装置であって、二次電池を充放電しない状態を示す概略斜視図である。 図５に示すバッテリ装置を逆方向から見た斜視図である。 図５に示すバッテリ装置であって、二次電池を充放電する状態を示す概略斜視図である。 図７に示すバッテリ装置を逆方向から見た斜視図である。 図５に示すバッテリ装置の制御機構を示す概略斜視図である。 図７に示すバッテリ装置の制御機構を示す概略斜視図である。

符号の説明

１…二次電池
２…電池ブロック
３…押圧プレート
４…エンドプレート
５…タイロッド
６…押圧体 ６Ａ…押しバネ
７…制御機構
１０…ロックアーム １０Ａ…係止部
１１…第１のアクチュエータ
１２…第２のアクチュエータ
１３…検出回路
１４…回転軸
２１…二次電池 ２１Ａ…角形電池
２２…電池ブロック
２３…押圧プレート
２４…エンドプレート ２４Ａ…リブ
２５…タイロッド
２６…押圧体 ２６Ａ…押しバネ
２７…制御機構
２８…セパレータ
２９…出力端子
３０…ロックアーム ３０Ａ…係止フック
３１…第１のアクチュエータ
３２…第２のアクチュエータ
３３…検出回路
３４…回転軸
９１…二次電池
９２…電池ブロック
９３…押圧プレート
９４…エンドプレート
９５…タイロッド
９６…押しバネ

Claims (8)

1. 対向平面を有する外形の二次電池(1)、(21)を、充放電状態においては対向平面を加圧し、充放電しない状態においては充放電状態よりも加圧力を弱くすることを特徴とする二次電池の充放電方法。
2. 複数の二次電池(1)、(21)を互いに積層して、両端に位置する対向平面から複数の積層した二次電池(1)、(21)を加圧する請求項１に記載される二次電池の充放電方法。
3. 前記二次電池(1)、(21)が角形電池(21A)とポリマー電池のいずれかである請求項１に記載される二次電池の充放電方法。
4. 前記二次電池(1)、(21)がリチウムイオン電池とリチウムポリマー電池のいずれかである請求項３に記載される二次電池の充放電方法。
5. 対向平面を有す外形の二次電池(1)、(21)が積層されてなる電池ブロック(2)、(22)と、この電池ブロック(2)、(22)の端面を押圧する押圧プレート(3)、(23)と、この押圧プレート(3)、(23)を電池ブロック(2)、(22)の端面に押圧する押圧体(6)、(26)と、二次電池(1)、(21)の充放電状態と充放電しない状態とを検出して、二次電池(1)、(21)の充放電状態においては押圧体(6)、(26)で押圧プレート(3)、(23)を電池ブロック(2)、(22)の端面に押圧し、充放電しない状態においては、電池ブロック(2)、(22)の端面の押圧力を充放電状態の押圧力よりも低減する制御機構(7)、(27)とを備えるバッテリ装置。
6. 前記二次電池(1)、(21)が角形電池(21A)とポリマー電池のいずれかである請求項５に記載されるバッテリ装置。
7. 前記二次電池(1)、(21)がリチウムイオン電池とリチウムポリマー電池のいずれかである請求項１に記載されるバッテリ装置。
8. 前記押圧体(6)、(26)が押しバネ(6A)、(26A)である請求項５に記載されるバッテリ装置。

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